汽車產業這個領域時常被誤解——我們往往只是簡單地將其與一般汽車(car)以及相關應用聯繫在一起,其實它的範圍更廣,包括一系列廣泛應用如大客車(bus)、卡車(truck)、工業車輛(industrial vehicles)、移動機械(mobile machinery,如採礦設備)、堆高機(forklift,或稱鏟車、叉車)、自動清潔車(cleaning automated machines),以及緊急救護、服務車輛等等眾多應用。

在工業領域,現在產業界人人都在討論「工業4.0」,也就是第四次工業革命;工業4.0提供了所謂的「智慧工廠」——在模組化結構的智慧工廠中,網宇實體系統(cyber-physical system)監控流程、創建實體世界的虛擬副本,實現分權決策(decentralized decisions)。物聯網(IoT)內的網宇實體系統可以即時相互溝通合作,也與人類相互溝通合作;透過網際網路服務,價值鏈上的參與者能提供、使用內部與泛組織化(pan-organizational)的服務。

將工業4.0套用在汽車產業,可以將之轉化為「汽車4.0(Automotive 4.0)」概念。

在2016年,60%以上的汽車都配備了具備彩色螢幕的資訊娛樂系統;對司機和乘客提供的資訊品質要求是非常高的,我們都期望能在車上獲得與其他個人化設備相同的使用者體驗,包括娛樂性與高速連結性;這些新增的期望為汽車製造商帶來了更複雜化的互通性和安全性挑戰,特別是當考量到未來的5G通訊和智慧車輛。

雖然螢幕只是可見的「冰山一角」還有大量看不見的運算裝置、感測器和其他零組件,讓汽車更安全、更可靠,總的來說,他們都需要越來越高效率、耐用的電源解決方案;汽車產業應用的電源管理通常是由一組電源管理晶片(PMIC)來實現,它是中央嵌入式車用電腦系統的一部分,而半導體製造商能提供種類範圍廣大的PMIC,配備最新一代數位控制與先進通訊介面。

如果汽車產業能代表車用資訊娛樂系統的大宗市場,隨著大城市的不斷發展,以及城際交流需求的持續成長,現有的列車網路往往不夠滿足乘客疏運需求,還需要搭配公共巴士運輸車隊,才能讓乘客更有效率地抵達目的地。

最近的一項研究指出,全球對巴士/大客車需求的年成長率預計每年將超過5%,到2018年達到66萬4,000輛,是2008~2013年成長率的兩倍;全球使用中大客車的數量預計在2018年超過800萬輛,其中許多先進的資訊娛樂和車輛監控設備,需要穩定、可靠的電源解決方案。

連網大客車

如同飛機和新一代高鐵列車,資訊娛樂設備通常安裝在乘客座椅上,這會要求本地電源不受線路干擾,配備低功率的無線電發射以及不需強制氣冷就可運作的功能;此外,大客車製造商要求座椅製造商讓座椅更簡單、容易維護(和升級),所需線纜與互連更少。

要讓車輛座椅滿足這些需求,取決於簡化的連結,將電源線與應用於資料傳輸的光纖都限制在一條,這意味著資訊娛樂設備的電源必須嵌入座椅中,這對電源供應設備製造商是高度要求。

過去幾十年,該類資訊娛樂設備的通常是放置在座椅下,利用自由空氣對流冷卻,但新一代的電源模組得在無空氣對流的情況下運作,因此得針對傳導冷卻(conduction cooling)進行設計最佳化——例如將基板連接到座椅電樞(seat armature)。

為了降低功率損耗並最佳化冷卻,功率轉換器需要額定值效率非常高的耗散元件(dissipative components),直接與基板連結(如圖1);應用於高功率密度轉換器的技術,例如在電信產業應用的平面變壓器(planar transformer)、導熱通孔(thermal via)、排熱管(thermal-drains)都是可用的方案,在某些案例也會看到熱幫浦(heat-pump)在汽車產業的應用。

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圖1 Powerbox的ENAR100/200是新一代的DC/DC直流轉換器,整合先進的散熱管理與和高效率的拓撲結構,適合汽車應用。



此外車用資通訊娛樂系統的電源供應設備,還要求功率轉換器符合國際標準,如ISO 7637,規定了採用12V或24V電池的道路車輛在傳導與耦合試驗的電氣干擾條件(如圖2),這需要電源供應器廠商與設備製造上緊密合作,以確保最終產品可以在其應用環境中完全符合規定。

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圖2 ISO 7367-2脈衝測試案例,透過為內燃機引擎啟動馬達電路供應能量,來模擬供應電壓下降;ISO 7367涵蓋範圍廣泛的電氣干擾測試。



車隊管理

很少有人注意到,現代的大客車配備了令人印象深刻的先進電子設備,因此需要穩定和可持續的電源(如圖3);為了支援車隊管理的可靠性與最佳化,新一代的大客車都配備了即時追蹤功能,連結導航系統以及引擎狀態監測與安全設備,例如駕駛行為分析儀;監測系統會不間斷報告車輛狀態,並可支援預防性維護管理、向控制中心的協調員報告車隊位置。

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圖3 應用於現代大客車的各種設備,需要穩定的電源和支援安全運作的一些本機電池。



基於安全性理由,必須保證重要功能的不間斷,特別是遇到主電池發生故障的狀況;因此需要策略性系統,包括需要微型充電器的本機(local)電池。這些微型充電器與資通訊娛樂系統電源有一些共同性,因為它們通常也安裝在密閉環境中,需要針對傳導冷卻機構進行最佳化設計,以降低因熱應力造成的潛在故障風險;這一點至關重要,直接車輛上路的高可靠性。

設計者還必須考慮到電池充電最佳化的具體要求,例如電池溫度量測;在某些情況下,電池充電器還需要與中央監控系統之間通訊。這些考量需要在整個設計流程中被全面性地採用,並適當比較前幾代產品的性能,包括以類比控制為主的系統,以及新一代整合微控制器和即時充電最佳化的系統。

有人會說,在微型充電器中添加數位控制技術是殺雞焉用牛刀;但也會有人反駁,這類技術已經被證實能在可靠性和更長的電池壽命方面帶來優勢。

無論有哪些爭議,都需要考量能為大客車上的資通訊娛樂系統,以及其他電子設備提供穩定、可靠電壓所需的電源數量;有越來越多大客車製造商在升級設備時,要求電源供應器製造商開發標準化的DC/DC轉換器、充電器、降壓穩壓器,容易安裝、維修並支援更高電源需求。高整合度的「一體化解決方案」已經已成為現實,為裝置的設計參數添加了機構約束的挑戰。

大客車車隊的現代化,以及配備現代資通訊娛樂系統、令人印象深刻之先進電子設備的新一代大客車,為電源設計工程師帶來良機,能將先進電源技術推向以往對新技術接受速度緩慢的一個應用領域,並大步實現「汽車4.0」願景──而那些早期使用者可以大聲的說,這是第四次汽車革命!